Antriebssysteme nach Energieträger
Das lernen Sie hier
- Die relevanten Antriebssysteme von PKWs und in welchen Hauptkomponenten sie sich unterscheiden
- Vorteile und Nachteil der jeweiligen Antriebssysteme in Sachen Fahrernutzen und Fahrzeugtechnik
- Marktanteile der Antriebssysteme in Deutschland
Intro
Kunden haben die Möglichkeit verschiedene Antriebssysteme für ihr Auto auszuwählen. Dabei gibt es nicht nur die Unterscheidung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor, sondern viele Schattierungen dazwischen, die nicht auf den ersten Blick erkennbar sind. Im folgenden Abschnitt werden wir vom klassischen Verbrennungsmodell weitere alternative Antriebssysteme in PKWs aufzeigen und dabei nach und nach den Anteil der elektrischen Leistung erhöhen bis wir beim reinen Elektroauto angekommen sind.
Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor
engl. Internal Combustion Engine (ICE)
Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ohne Elektrifizierung im Antriebsstrang
Merkmale
Hauptantrieb
Ottomotor oder Dieselmotor
Nebenantrieb
Keine
Elektrisch laden
Nicht notwendig
Elektrische Reichweite
0 km
Schema
Vor- und Nachteile
Aber beginnen wir mit den Fahrzeugen, die über gar keinen elektrifizierten Antrieb verfügen, den konventionellen Modellen mit Ottomotor oder Dieselmotor. Der Motor ist der Hauptantrieb und gleichzeitig der einzige Antrieb des Fahrzeuges. PKWs mit Verbrennungsmotor setzten sich in den 1910er gegenüber Dampfautomobilen und Elektroautos durch aufgrund der hohen Reichweite, des Tankstellenausbaus, der Weiterentwicklung der Motoren und des günstigen Kraftstoffes. Durch technischen Fortschritt in den letzten 100 Jahren wurde der Wirkungsgrad immer weiter verbessert, so liegen PKW-Dieselmotoren bei ca. 43% im Betriebsoptimum, während PKW-Benzinmotoren etwa 37% aufweisen. Im Straßenverkehr wird der Verbrennungsmotor allerdings nur sehr selten im besten Betriebspunkt gefahren, sondern die meiste Zeit im Teillastbereich mit sehr dynamischen Lastschwankungen. Dies wirkt sich thermodynamisch sehr negativ auf den Wirkungsgrad aus.
Wirkungsgrad Diesel-PKW
Wirkungsgrad Benzin-PKW
Mild-Hybridfahrzeug
engl. Mild Hybrid Electric Vehicle (MHEV)
Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und minimaler elektrischer Unterstützung
Merkmale
Hauptantrieb
Ottomotor oder Dieselmotor
Nebenantrieb
Kleiner Elektromotor oder Startergenerator + sehr kleine Batterie (ca. 0,5 kWh)
Elektrisch laden
Nicht notwendig, da die Energiegewinnung ausschließlich durch den Motorbetrieb und der Rekuperation erfolgt
Elektrische Reichweite
0 km
Schema
Vor- und Nachteile
Bei Fahrzeugen, in denen der Verbrennungsmotor den Hauptantrieb darstellt, aber elektrische Nebenantriebe zusätzlich eingesetzt werden, wird von Hybridfahrzeugen gesprochen. Die minimalste Elektrifizierung weisen Mild-Hybridfahrzeuge (MHEV für Mild Hybrid Electric Vehicle) auf. Wesentliche Merkmale sind die folgenden:
- Start-Stopp-Automatik
- Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) zum Laden der Batterie
- Elektromotorische Unterstützung beim Anfahren und bei hohen Geschwindigkeiten für ein besseren Verbrauch und angenehmeres Anfahren
- Kein rein elektrisches Fahren möglich
Ein Nachteil der eingeführten Start-Stopp-Automatik liegt im Verschleiß der Kurbelwelle, die auf eine dauerhafte Rotation ausgelegt ist. Der Vorteil des eingesparten Kraftstoffs überwiegt allerdings deutlich.
Vorteil zum Verbrenner
Für Autofahrer sind beide Fahrzeugtypen in ihrer Nutzung absolut identisch, da die Batterie keine Beachtung des Fahrers benötigt. So werden bei MHEV üblicherweise auch keine Anzeigen zum Nutzungsgrad der Batterie angezeigt. Im Alltag fallen diese Fahrzeuge gar nicht als Hybridfahrzeuge auf.
Voll-Hybridfahrzeug
engl. Hybrid Electric Vehicle (HEV)
Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, Batterie und Elektromotor ohne externe Lademöglichkeit
Merkmale
Hauptantrieb
Ottomotor oder Dieselmotor
Nebenantrieb
Kleiner Elektromotor oder Startergenerator + kleine Batterie (ca. 1 – 5 kWh)
Elektrisch laden
Nicht notwendig, da die Energiegewinnung ausschließlich durch den Motorbetrieb und der Rekuperation erfolgt
Elektrische Reichweite
0 km – 10 km
Schema
Vor- und Nachteile
Elektrisches Fahren beginnt erst mit den weiteren Hybridfahrzeugen. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie neben einem Verbrennungsmotor noch über einen Elektromotor und damit einen weiteren Energiewandler verfügen. Bei Voll-Hybridfahrzeugen und allen weiteren Hybridfahrzeugen gibt es drei unterschiedliche Fahrweisen:
- Rein elektrisch: Bei ausreichender Ladung der Batterie wird der Verbrennungsmotor ausgeschaltet (Segeln). Es kann ausgewählt werden, ob der Verbrennungsmotor agil zugeschaltet werden soll für eine größere Beschleunigung und Endgeschwindigkeit.
- Rein mit Verbrennungsmotor: Bei geringer Ladung der Batterie oder in Phasen mit hoher Beschleunigung kommt nur der Verbrennungsmotor zum Einsatz.
- Verbrennungsmotor + Elektromotor: Der Elektromotor kommt bei langsamen Geschwindigkeiten zum Einsatz und wird nur bei Beschleunigung und bei hohen Geschwindigkeiten durch den Verbrennungsmotor unterstützt oder abgelöst. Dies wird üblicherweise der Dauerzustand sein, in dem beide Antriebe je nach Bedarfsfall zum Einsatz kommen. Dies regelt die Steuerelektronik vollkommen automatisch. Die Batterie wird durch die überschüssige Energie des Verbrennungsmotors oder durch Bremsenergie geladen.
Mit einer vergleichsweise kleinen Batterie und einem kleinem Elektromotor kann das Voll-Hybridfahrzeug (HEV für Hybrid Electric Vehicle) sehr kurze Distanzen bis zu 10km elektrisch zurücklegen. Die Elektrifizierung dient hauptsächlich der Unterstützung des Hauptmotors, um den Kraftstoffverbrauch weiter zu verringern. Beim HEV ist das Laden der Batterie weiterhin nicht durch das Stromnetz vorgesehen.
Volvo XC60 (2017)
Typ: MHEV
Toyota Prius+ (2012)
Typ: HEV
Ford Mondeo Hybrid (2014)
Typ: HEV
Leistung: 163 – 250 PS (Benzin)
Verbrauch: 7,5 – 8,4 l Super/100km (NEFZ, kombiniert)
Top-Speed: 180 km/h
Leistung: 136 PS (Elektro: 82 PS)
Batterie: 1 kWh
Verbrauch: 4,1 l Super/100km (kombiniert)
Top-Speed: 165 km/h
Leistung: 187 PS
Batterie: 1,4 kWh
Verbrauch: 4,3 – 4,7 l Super/100km (NEFZ, kombiniert)
Top-Speed: 187 km/h
Foto: Volvo
Foto: Toyota
Foto: Ford
Plug-in Hybridfahrzeug
engl. Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)
Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, Batterie und Elektromotor mit externer Lademöglichkeit
Merkmale
Hauptantrieb
Ottomotor oder Dieselmotor
Nebenantrieb
Mittelgroßer Elektromotor + mittelgroße Batterie (ca. 5 – 25 kWh)
Elektrisch laden
An allen privaten und öffentlichen AC-Ladesäulen (bis 11kW). Neuere Modelle können ebenfalls Schnellladen über DC-Ladesäulen (bis 50 kW)
Elektrische Reichweite
20 km – 85 km
Schema
Vor- und Nachteile
Der am meisten elektrifizierte Typ von Hybridfahrzeugen ist das Plug-in Hybridfahrzeug (PHEV für Plug-in Hybrid Electric Vehicle). Wie der Name schon sagt, muss die Batterie durch das Laden am Stromnetz aufgeladen werden, um elektrisches Fahren zu ermöglichen. Das Hauptaggregat wird durch eine größere Batterie und höhere Leistung des Elektromotors ergänzt, um die Möglichkeit des elektrischen Fahrens auszubauen. Damit sind rein elektrische Reichweiten von ca. 20 – 85 km und Geschwindigkeiten von bis zu ca. 100 km/h, bei älteren Modellen eher bis zu 50 – 60 km/h, erreichbar.
Mercedes-Benz A 250 e (2019)
Typ: PHEV
MINI Cooper SE Countryman All4 (2019)
Typ: PHEV
Peugeot 508 SW 1.6 Hybrid (2020)
Typ: PHEV
Leistung: 218 PS (Elektro: 102 PS)
Batterie: 15,6 kWh
Reichweite: 76 km (elektrisch)
Verbrauch: 1,4 – 1,6 l Super/100km (NEFZ, kombiniert)
Top-Speed: 235 km/h (140 km/h elektrisch)
Leistung: 220 PS (Elektro: 88 PS)
Batterie: 10 kWh
Reichweite: 55 – 61 km (elektrisch)
Verbrauch: 1,7 – 2,0 l Super/100km (NEFZ, kombiniert)
Top-Speed: 196 km/h (125 km/h elektrisch)
Leistung: 225 PS (Elektro: 110 PS)
Batterie: 11,5 kWh
Reichweite: 49 – 54 km (WLTP, elektrisch)
Verbrauch: 1,4 – 1,5 l Super/100km (WLTP, kombiniert)
Top-Speed: 240 km/h (135 km/h elektrisch)
Foto: Daimler
Foto: MINI
Foto: Groupe PSA
Elektroauto mit Reichweitenverlängerer
engl. Extended-Range Electric Vehicle (EREV)
Fahrzeug mit Elektromotor, Batterie und Verbrennungsmotor zum Aufladen der Batterie
Merkmale
Hauptantrieb
Elektromotor + mittlere Batterie (ca. 15-40 kWh)
Nebenantrieb
Kleiner Verbrennungsmotor (z.B. 30 PS) der ausschließlich für das Laden der Batterie verwendet wird, wenn ein bestimmter Ladezustand unterschritten wurde (z.B. unter 25%)
Elektrisch laden
An allen privaten und öffentlichen AC- und DC-Ladesäulen
Elektrische Reichweite
70 km – 150 km
Schema
Vor- und Nachteile
Die Nutzung des elektrischen Fahrens hängt sehr vom Fahrprofil des Fahrers ab. Statistisch fahren Autofahrer in Deutschland durchschnittlich ca. 30 km am Tag und in den allermeisten Fällen nicht mehr als 50 km pro Tag. Bei regelmäßigem Laden ist also eine überwiegend elektrische Fahrweise realistisch. Nach Untersuchungen legen PHEV-Fahrer etwa 70% ihrer Strecke elektrisch zurück.
Das nächste Modell ist ein Elektroauto mit Reichweitenverlängerer (EREV für Extended-Range Electric Vehicle), in dem ein Elektromotor als Hauptantrieb und zusätzlich ein Verbrennungsmotor zum Einsatz kommt. Damit ist es nach der Definition des Kraftfahrtbundesamtes ein Hybridfahrzeug, da es über zwei verschiedene Energiewandler und Energiespeichersysteme verfügt. Die beiden Motoren sind seriell miteinander verbunden, das bedeutet, der Verbrennungsmotor wird nur eingesetzt um die Batterie zu laden, die wiederum den Elektromotor versorgt. Der Verbrennungsmotor ist also kein direkter Antrieb. Auf diese Weise fährt der Verbrennungsmotor relativ konstant an seinem Betriebsoptimum und es bedarf keines weiteren Getriebes wie beim PHEV. Die elektrische Reichweite liegt je nach Modell bei 70-140km. Der Verbrennungsmotor sowie der Tank sind relativ klein dimensioniert, um im Bedarfsfall die Reichweite des Fahrzeugs zu erweitern (z.B. um 150 km wie beim BMW i3) und nicht das Laden am Stromnetz zu ersetzen.
Elektroauto
engl. Battery Electric Vehicle (BEV)
Fahrzeug mit Elektromotor und Batterie
Merkmale
Hauptantrieb
Elektromotor + große Batterie (ca. 25-95 kWh)
Nebenantrieb
keine
Elektrisch laden
An allen privaten und öffentlichen AC- und DC-Ladesäulen
Elektrische Reichweite
95 km – 500 km
Schema
Vor- und Nachteile
Kommen wir zum 100% elektrisch fahrendem Fahrzeugtyp, dem batteriebetriebenen Elektroauto, kurz E-Auto. Hier entfällt die Nutzung von Verbrennungsmotoren und Kraftstoffen wie Diesel oder Benzin. Stattdessen wird auf einen oder mehrere Elektromotoren gesetzt, die von einer großen Batterie gespeist werden. Auch die Nebenaggregate wie Klimatisierung oder Lenk- und Bremsunterstützung sind elektrifiziert. Zumeist die ersten Elektrofahrzeuge sind noch auf Basis der konventionellen Fahrzeuge entstanden, nach Anpassung bestimmter Bauteile. Gute Beispiele dafür ist der Mitsubishi i-MiEV, der VW e-Golf oder der BMW ActiveE.
Zunehmen werden Elektroautos aber von vornherein auf eigener Plattform entwickelt, um die Konstruktion besser zu optimieren und Massenkomponenten günstiger herzustellen. Beispiele sind die Modelle von Tesla, BMW i3 oder Audi e-tron. Die Elektrifizierung des Fahrzeugs ermöglicht vollkommen andere Fahrzeugkonzepte im Hinblick auf Fahrzeuggestaltung, Raumnutzung und Fahrdynamik, die im Detail in weiteren Lektionen erläutert werden. Elektroautos sind aufgrund der permanenten elektrischen Fahrweise sehr leise, effizient in der Energienutzung des Stroms und stoßen keine Abgase aus. Die mittlere Reichweite von Elektroautos (also eine Kombination von Stadt und Autobahnfahrten sowie Sommer- und Winterfahrten) variiert bei aktuellen Modellen von 95 – 500 km. Die meist verkauften Modelle in Deutschland weisen eine durchschnittliche Reichweite von 200 – 350km auf. Diese wird sich mit den neuen und den angekündigten Modellen deutlich erhöhen, so ist beim Audi e-tron GT eine mittlere Reichweite von ca. 425km vorgesehen, beim VW ID.3 Pro S sogar von 450km. Die Dauer des Ladens variiert nach Fahrzeugmodell, Ladetechnik und Batteriegröße und liegt zwischen 30 Minuten und 14 Stunden für eine vollständige Ladung.
Wirkungsgrad Elektroauto
Beispielmodell
Quelle: Audi
Mitsubishi i-MiEV (2010)
Typ: BEV
BMW i3 (2013)
Typ: BEV
Audi e-tron (2019)
Typ: BEV
Leistung: 67 PS
Batterie: 16 kWh
Reichweite: 150 – 160 km
Top-Speed: 130 km/h
Das erste Elektroauto in Großserie weltweit.
Leistung: 170 – 180 PS
Batterie: 22 – 42 kWh
Reichweite: 190 – 310 km
Top-Speed: 150 – 160 km/h
Das erste Elektroauto von BMW in Großserie.
Leistung: 313 – 503 PS
Batterie: 71 – 95 kWh
Reichweite: 280 – 440 km
Top-Speed: 190 – 210 km/h
Das erste Elektroauto von Audi in Großserie.
Foto: Mitsubishi
Foto: ev-trainings
Foto: Audi
Brennstoffzellenauto
engl. Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)
Fahrzeug mit Elektromotor, kleiner Batterie und Brennstoffzelle angetrieben mit Wasserstoff
Merkmale
Hauptantrieb
Elektromotor + Brennstoffzelle + sehr kleine Batterie (ca. 2 kWh)
Nebenantrieb
keine
Elektrisch laden
Nicht notwendig, dafür muss Wasserstoff getankt werden
Elektrische Reichweite (mit Wasserstoff)
500 km – 600 km
Schema
Vor- und Nachteile
Eine Sonderform von Elektroautos sind Brennstoffzellenautos (FCEV für Fuel Cell Electric Vehicle), die zwar auch rein elektrisch fahren, allerdings wird der Strom nicht in einer großen Batterie gespeichert, sondern in einer Brennstoffzelle mittels Wasserstoff aus einem Tank und Umgebungsluft produziert. Der wesentliche Vorteil ist, dass größere Reichweiten möglich sind, da Wasserstoff eine hohe Energiedichte hat und somit bereits mit einem Kilogramm Wasserstoff ca. 100 km Reichweite erreichbar sind. Typische Reichweiten bei den Modellen liegt bei ca. 500-600 km. Wasserstoff kann nur unter sehr hohem Druck (bis zu 700 bar, zum Vergleich ein Autoreifen hat ca. 2,2 bar Druck) oder in flüssiger Form bei sehr tiefkalten Temperaturen (-250°C) eingesetzt werden. Derzeit gibt es nur sehr wenige Wasserstofftankstellen in Deutschland (Stand Juli 2020: 84). Der Tankvorgang dauert in etwa 3 Minuten und ist somit im Vergleich zum elektrischen Laden sehr schnell. Hierbei muss man aber beachten, dass der hohe Druck für das Betanken einer Tankstelle immer wieder neu aufgebaut werden muss und somit Verzögerungen zwischen den Tankvorgängen entstehen. Eine Tankstelle kann in etwa 40 Fahrzeuge pro Tag betanken bzw. etwa alle halbe Stunde ein Fahrzeug.
Hyundai NEXO (2018)
Typ: FCEV
Mercedes-Benz GLC F-Cell (2018)
Typ: FCEV
Honda Clarity Fuel Cell (2016)
Typ: FCEV
Leistung: 163 PS
Tank: 6,3 kg
Reichweite: 750 km (NEFZ)
Leistung: 211 PS
Batterie: 14 kWh
Tank: 4,4 kg
H2-Reichweite: 480 km
Elektrische Reichweite: 51 km
Leistung: 176 PS
Tank: 5 kg
Reichweite: 650 km
Foto: Hyundai
Foto: Daimler
Foto: Honda
Vergleich der Antriebssysteme
Nachdem wir uns alle relevanten Antriebssysteme angeschaut haben, zeigt die folgende Darstellung wie sich die Fahrten mit den jeweiligen Antriebssystemen zusammensetzen. In der Grafik erkennt man, dass sich erst durch Plug-in Hybridfahrzeugen ein nennenswerter Teil der Fahrleistung elektrifiziert. Aber erst durch E-Autos wird eine vollständige Elektrifizierung erreicht und der Strom ohne Umwandlung direkt genutzt.
Marktanteile der Antriebssysteme
Um ein besseres Bild über die aktuelle Verbreitung der Antriebssysteme in Deutschland zu bekommen, schauen wir uns die Bestandszahlen des Kraftfahrt-Bundesamtes an. Die folgende Grafik zeigt die jeweils zum Jahresbeginn zugelassenen PKWs. Der Bestand an Autos in Deutschland ist in den vergangenen Zeiten 10 Jahren um etwa 1,4% pro Jahr gestiegen. Die Verbrenner dominieren mit zusammen etwa 98%, zuletzt mit einer deutlichen Verschiebung von Benzin- zu Dieselfahrzeugen.
Bei den alternativen Antrieben legen E-Autos und Hybridfahrzeuge auf aktuell niedrigem Niveau aber deutlich. So ist der Bestand an E-Autos jährlich um 55% gestiegen, der an Hybriden um 32% und dies bei vergleichsweise wenig Modellauswahl und ungünstigen Rahmenbedingungen bei der Ladeinfrastruktur. Bei den Hybridfahrzeugen fehlt die Transparenz über die Aufteilung der verschiedenen Kategorien. So werden Plug-in Hybride erst ab 2018 gesondert ausgewiesen. Es ist davon auszugehen, dass ein erheblicher Teil der Hybridautos aus Mild-Hybriden (MHEV) besteht, da diese gegenüber dem Kunden wie effiziente Verbrenner verkauft werden. Hier sind also deutlich höhere Wachstumszahlen zu erwarten, da viele neue Modelle auf den Markt kommen und die Batterietechnik in der Massenproduktion deutlich günstiger wird. Brennstoffzellenfahrzeuge spielen in der Statistik kaum eine Rolle, da derzeit etwa 400 Fahrzeuge in Deutschland registriert sind.
In der nächsten Lektion werden Sie lernen wo die Power der E-Autos herkommt, wie sich Elektromotoren unterscheiden und welche Vor- und Nachteile die Technik im Automobilbau hat.